750kV 탱크형 SF₆ 압축가스 회로 차단기의 고장 분석
고장 현상
고장 전의 정보 및 운영 모드
2016년 5월 16일 17시 53분 50초, 경천 II 회선의 두 세트 보호 장치가 연속적으로 작동했습니다. B 상이 트리핑으로 선택되었고, 7522와 7520 회로 차단기의 B 상이 열렸습니다. 7522 회로 차단기의 보호 장치는 0.6초 지연 후 이중 회선 보호 장치에서 영구적인 고장을 감지했습니다. 그 후 7522 회로 차단기의 ABC 세 상이 트리핑되었습니다.
이 과정에서 7522 회로 차단기의 B 상 고장 보호 장치가 Bus II의 차동 보호를 작동시키고, 7512 회로 차단기가 열려 750kV Bus II의 정전이 발생했습니다. 고장 전 시스템 운영 모드 및 단위 운영 조건은 도표 1에 표시되어 있습니다. 1번 단위의 유효 전력은 645MW였으며, 2번 단위의 유효 전력은 602MW였습니다. 경천 I 및 II 회선은 정상적으로 운영되고 있었습니다. 변전소의 배선 모드는 3/2 배선이었고, 변전소는 폐합 운전 모드로 운영되고 있었습니다.
고장 검사 상황
현장 시각 검사
7522 회로 차단기의 현장 검사 결과 A/B/C 상의 기계적 개폐 표시기는 "0" 위치인 개방 위치를 나타내고 있었습니다. 유압 작동 구조는 스프링 압축 위치에 있었습니다. WB - 2C 회로 차단기의 경우 A/B/
C 상에 대해, 작동 상자 패널의 현장 검사 결과 TWJ 표시기의 빨간 불이 켜져 있었습니다. A/B/C 세 상 회로 차단기의 SF₆ 가스 압력은 0.62MPa(상대 압력)였으며, 7522 회로 차단기에 명백한 이상은 없었습니다.
보호 작동 정보
경천 II 회선 보호 IRCS - 931BM 보호 장치: 2016년 5월 16일 17시 53분 50초 404ms에 B 상 전류 차동 보호가 작동했습니다. 전류 차동 보호는 767ms에 A, B, C 상을 트리핑했으며, A, B, C 상의 트리핑 위치 접점은 825ms에 반환되었습니다.
경천 II 회선 보호 IICS - 103C 보호 장치: 2016년 5월 16일 17시 53분 50초 454ms에 B 상 전류 차동 보호가 작동했으며, 790ms에 ABC 상이 트리핑되었습니다.
7522 회로 차단기 보호 화면 PRS - 721S 보호 장치: 7522 회로 차단기의 B 상이 트리핑되었습니다. 후속 트리핑 동작이 발생했습니다. 0.6초 후 재개동이 실행되었고, 세 상 트리핑 동작이 통신되었습니다. 0.15초 후 회로 차단기 자체의 고장 트리핑이 발생하였고, 0.25초 후 인접 회로 차단기의 고장 트리핑이 발생하였습니다.
7520 회로 차단기 보호 화면 PRS - 721S 보호 장치: 7520 회로 차단기의 B 상이 트리핑되었습니다. 후속 트리핑 동작이 발생하였고, 세 상 후속 트리핑이 실행되었습니다. 7520 회로 차단기의 재개동이 0.9초 지연(고장 회선과 함께 재개동하여 단위에 미치는 영향을 줄이기 위함)으로 인해 재개동이 작동하지 않았습니다.
7512 회로 차단기 보호 화면 PRS - 721S 보호 장치: 7512 회로 차단기의 세 상이 트리핑되었으며, 세 상 트리핑 위치 접점의 반환 시간은 1143ms였습니다.
II - 버스 모더 보호 I 화면 RCS - 915E 보호 장치: 2016년 5월 16일 17시 53분 51초 258ms에 버스-회선 고장 트리핑이 발생했습니다.
회로 차단기 본체 시험 및 검사
닝샤 전력 연구소에 연락하여 7522의 세 상 회로 차단기의 SF₆ 가스 성분을 분석했습니다. B 상의 SF₆ 가스에서 황 화합물 성분이 심각하게 기준을 초과했습니다. 이 가스 실의 분해 생성물 함량이 높아 고에너지 국부 방전이 있었음을 나타내며, 이로 인해 고체 절연 재료의 분해가 발생했습니다. 표 1 참조.
회로 차단기 B의 개폐 회로를 측정한 결과, 회로가 열려 있음을 확인하여 차단기가 개방 상태였음을 알 수 있었습니다. 닝샤 전력 연구소는 7522 회로 차단기의 A 및 C 상의 개방 시간과 회로 저항을 시험하였으며, 시험 결과는 기준에 부합하였습니다.
고장 후 분해 및 검사
7522 회로 차단기의 B 상 내부의 SF₆ 가스를 배출하고 질소를 퍼지시킨 후, 차단기 본체 문을 열었습니다. 내부에는 먼지(아크 소멸 분해 생성물)가 발견되었습니다. ABB 공장 기술자가 도착한 후, 절연자를 분해하여 2개의 파손된 전극을 발견했습니다. 파손된 전극은 외벽과 연결되어 있었으며, 연결 막대와 이동 접점에는 명백한 타버림 자국이 있었고, 이동 접점 작동 기구에는 명백한 용융 분해 생성물이 있었습니다. 회로 차단기의 유압 스프링형 작동 구조의 작동 기구를 검사한 결과 정상적으로 작동하는 것으로 확인되었습니다.
원인 분석
아크 소멸 원리
교류 아크를 소멸시키는 최적의 시간은 아크 전류가 반주기마다 0을 지날 때입니다. 전류의 0 교차 기간 동안 아크는 2개의 복구 과정을 거칩니다:
절연 강도 복구 과정: 비이온화 과정이 강화되면서 아크 전극 사이의 절연 강도가 점진적으로 복구됩니다.
아크 전압 복구 과정: 전원 전압이 접점에 다시 적용됩니다. 아크 전압은 아크 소멸 전압에서 전원 전압으로 상승합니다. 절연 강도 복구 과정이 아크 전압 복구 과정보다 빠르고, 아크 전압 복구 과정의 진폭이 클 경우, 아크 전압 복구 과정이 절연 강도 복구 과정보다 빠르게 진행되어 전극 사이의 절연이 붕괴되고 아크가 재점화됩니다. 아크 전압 복구 과정이 절연 강도 복구 과정이 시작되기 전에 시작되면 아크가 재점화됩니다.
결론
CSL103 보호 장치의 고장 기록 파형과 결합하여, 7522 회로 차단기의 B 상이 재개동된 후, 보호 장치는 767ms에 세 상 트리핑 명령을 발행하였고, 7522 회로 차단기의 세 상은 825ms에 완전히 열렸으며, 작동 시간은 58ms였습니다. B 상 회로 차단기의 아크 소멸 과정에서 전류 파형이 0을 지나지 않았으며, 아크는 회로 차단기 내부에서 계속해서 단락 전류를 제공하였습니다.
SF₆ 가스의 아크 소멸 성능 분석에 따르면: 아크 작용 하에서 SF₆ 가스는 전기 에너지를 흡수하여 저불화 화합물을 생성합니다. 그러나 아크 전류가 0을 지날 때, 저불화 화합물은 신속하게 SF₆ 가스로 재결합하며, 아크 간격의 절연 강도는 비교적 빠르게 복구됩니다. 아크 전류가 0을 지나지 않아 SF₆ 가스의 아크 소멸 성능이 감소하였습니다. 이때 회로 차단기 고장 보호를 활성화하여 인접한 7512 회로 차단기가 고장 전류를 차단할 수 있었습니다. 7522 회로 차단기의 세 상 트리핑 위치 접점이 반환된 후부터 7512 회로 차단기의 세 상 트리핑 위치 접점이 반환될 때까지의 총 시간은 317ms였으며, 이는 B 상 회로 차단기의 고에너지 아크가 317ms 동안 연소했다는 것을 의미합니다. 7512 회로 차단기가 열린 후 아크가 소멸되었습니다.
요약하면, 이번 사건에서 회선 보호와 회로 차단기 고장 보호 모두 정상적으로 작동하였으며, 회로 차단기의 트리핑도 정상적이었습니다. 일차 및 이차 장비의 동작 모두 올바르였습니다. 7522 회로 차단기의 B 상의 경우, 가스 구성 분석에 따르면 아크 소멸실 내에서 고강도 에너지가 있어 가스 압력을 증가시킬 만큼 충분했지만, 7522B 상의 전류는 0을 지나지 않아 아크가 소멸되지 않았습니다. 그러나 하부 압축 실의 밸브가 이미 열려 있었고, 남은 가스가 하부에서 배출되어 아크가 이동 접점의 절연 막대와 분산 콘덴서를 태웠을 가능성이 있습니다.
회로 차단기 폐쇄 저항의 타버림 및 저항 외측의 균일한 차폐 커버의 파손 원인 분석
회로 차단기의 작동은 대부분의 스위칭 과전압의 원인이 됩니다. 폐쇄 저항을 설치하면 선로 폐쇄 및 단상 재개동 중 과전압을 효과적으로 제한할 수 있습니다. 우리 회사에서 사용하는 ABB 회사의 550/800PMSF₆ 가스 분사 회로 차단기는 적층된 카보론 저항 판으로 구성된 폐쇄 저항을 가지고 있습니다. 제조사 매뉴얼에 따르면, 폐쇄 저항의 열 용량은 다음과 같습니다: 정격 상 전압의 1.3배에서 4번 폐쇄 시, 첫 두 번의 시간 간격은 3분이며, 마지막 두 번의 시간 간격은 3분입니다. 두 그룹의 테스트(앞과 뒤) 사이의 시간 간격은 30분을 초과하지 않습니다.
차단기는 직렬식 차단 구조를 가지며, 3개의 주 차단, 1개의 보조 차단, 그리고 결합된 폐쇄 저항으로 구성되어 있습니다. 도표 2 참조. 직렬식 차단의 주요 특징은 회로 차단기의 폐쇄 작동 중에 보조 차단이 주 차단의 아크 소멸실 이후에 폐쇄하고, 개방 작동 중에도 주 차단의 아크 소멸실 이후에 분리한다는 것입니다.
즉, 보조 차단의 작동 순서는 후에 폐쇄하고 후에 개방하는 것입니다. 그 작동 원리는 다음과 같습니다: 폐쇄 중에는 주 차단이 먼저 폐쇄되어 저항과 직렬로 전류 회로를 형성하고, 폐쇄 저항이 연결됩니다. 약 8-11ms(제조사 매뉴얼에 따름) 후, 보조 차단의 폐쇄 접점을 통해 전류 회로가 형성되어 폐쇄 저항을 단락시킵니다. 개방 중에는 주 차단이 먼저 분리되어 주 전류 회로를 열고, 그 다음 보조 차단이 분리됩니다.
따라서 보조 차단은 개방 중에 정격 전류와 단락 전류를 처리합니다. B 상의 기계적 개방 후, 폐쇄 저항이 회로에 연결되었습니다. B 상 차단 사이의 아크가 317ms 동안 폐쇄 저항을 통해 지속되었으며, 아크 전류는 약 1620A였습니다. 계산에 따르면, 폐쇄 저항이 받은 열 용량은 그 정격 용량을 초과하였습니다. 이로 인해 폐쇄 저항과 보조 차단 사이의 연결 링의 열 용량이 한계를 초과하여 용융되었고, 외벽 등급 링으로 방전되어 등급 링의 파손과 저항의 검은색 변색을 초래하였습니다.
회로 차단기 고장 보호 작동 원인 분석
회로 차단기 고장 보호에서, 전류 요소가 활성화되고 고장 보호 기준을 충족하면, 보호 트립 입력을 받고 해당 상의 전류가 0.05 In 이상이면 고장 보호가 시작됩니다.
보고서에서 7522의 경우, 775ms에 7522 회로 차단기 보호 화면의 PRS - 721S 보호 장치가 경천 II 회선 보호 장치 IRC - 931BM의 세 상 트립 신호 입력을 받았으며, 925ms에 로컬 회로 차단기를 고장으로 트리핑하고, 1025ms에 인접 회로 차단기를 고장으로 트리핑하였습니다. 각각 로컬 회로 차단기 트리핑 지연 0.15s, 인접 회로 차단기 트리핑 지연 0.25s였으며, 이는 고장 보호의 작동 논리와 일치하며, 보호 장치는 정상적으로 작동하였습니다. 도표 3 참조. 오실로그램에서 7522의 B 상 트리핑 위치 접점이 825ms에 반환되었음에도 불구하고, 이동 접점과 고정 접점 사이에 여전히 전류(아크)가 흐르고 있음을 확인할 수 있습니다.
결론
고장 전류의 심각한 왜곡으로 인해 파형이 시간 축의 하단으로 이동하였습니다. 회로 차단기의 효과적인 아크 소멸 시간 내에 파형이 0을 지나지 않은 것이 아크의 소멸 실패의 주요 원인이었습니다. 회로 차단기의 개방 후 간격 절연의 복구 실패와 SF₆ 가스의 아크 소멸 성능 저하가 아크의 소멸 실패의 부차적인 이유였습니다.
아크의 소멸 실패와 아크 소멸실에서 남은 가스의 배출, 아크가 절연 막대와 콘덴서 외벽을 태운 것이 주요 원인이었습니다.
B 상의 기계적 개방 후, 폐쇄 저항이 회로에 연결되었습니다. B 상 차단 사이의 아크가 317ms 동안 폐쇄 저항을 통해 지속되었으며, 열 용량으로 인해 폐쇄 저항과 보조 차단 사이의 연결 링이 용융되어 외벽 등급 링으로 방전되어 등급 링의 파손과 저항의 검은색 변색을 초래하였습니다.
B 상의 아크 전류 존재와 회로 차단기 고장 보호의 작동 논리 준수는 버스바의 트리핑 주요 원인이었습니다.
